方波三角波正弦波函数发生器

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目：方波－三角波－正弦波函数发生器初始条件：具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、频率范围三段：10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；3、幅度连续可调，线性失真小；4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书时间安排：一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书目录1.概论........................................................11.1....................................................12.方案设计与论证...................................................32.1.............................................................33.单元电路设计................................................................93.1方波发生电路的工作原理..........................................93.2三角波正弦波电路的工作原理.......................................103.3电路参数选择及计算..................................................63.4.正负12V直流稳压电源的设计......................................73.5总电路图............................................................84.电路仿真........................................................114.1方波三角波发生电路......................................114.2三角波正弦波发生电路......................................115.实物制作......................................................125.1焊接原理............................................................125.2焊接工具及材料......................................................125.3焊接方法及步骤......................................................135.4电路板实物图........................................................146.性能参数......................................................7.数据分析......................................................168.实验总结................................................................219.参考书................................................................2210.附录................................................................23附录1：原件清单..........................................................22附录2：原理图..........................................................22附录3：本科生课程设计成绩测定表..........................................24武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书11.概论在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号各种波形，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试、信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书22.方案设计与论证2.1信号产生电路方案一正弦波方波三角波图1-2正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如图1-2。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。方案二本方案采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波积分电路RC正弦波振荡电路电压比较器武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书3经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。此方法已用，但差分很难调实际和仿真有较大差别；因此舍去。方案三此电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，且成本低廉、调整方便，关于输出正弦波波形的变形，可以通过可变电阻的调节来调整。但RC滤波性能不太好武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书43.单元电路设计由于考虑成本，方案实现简单，电路性能等问题用方案三。3.1方波发生电路的工作原理图3.1.1工作原理如下：若a点断开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。由图3.1.2分析可知比较器有两个门限电压CCthVRPRRU1321CCthVRPRRU1322运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1时，则输出积分器的电压为tUCRPRUood)(112142当Uo1=+VCC时tCRPRUo214CC2)(V当Uo1=-VEE时tCRPRUo214EE2)(V武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书5可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图3.1.2所示。图3.1.2a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为CC1322VRPRRUmo方波-三角波的频率为214213)(4CRPRRRPRf由上分析可知：②位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。②方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。由于CC1322VRPRRUmo因此31124Vcco2m132URPRR取R3=10kΩ,则R3+RP1=30kΩ，取R3=20kΩ,RP1为47kΩ的电位器。取平衡电阻R1=R2//（R3+RP1）≈10kΩ。因为武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书6214213)(4CRPRRRPRf当10Hz≤f≤100Hz时，取C2=1μF，则R4+RP2=（75~7.5）kΩ，取5.1kΩ，RP2为100kΩ电位器。当19Hz≤f≤100Hz，取C2=1μF以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。取平衡电阻R5=10kΩ。三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470μF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。RE2=100Ω与RP4=100Ω，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。3.2三角波→正弦波的变换三角波-正弦波的变换电路主要由RC二阶低通有源滤波器来完成。根据三角波图3.2的傅里叶变换展开式得知，三角波是由基波，三次谐波以及所有奇数次谐波等叠加而成的，其中三次谐波的幅值大概只有基波幅值的九分之一甚至更小，并且选频网络所选出的基波本来就会衰减到原来三角波幅值的圆周率/4倍。于是，二阶无源RC低通选频网络，（大约信号频率没增大3倍，失真就会出现）。此外，为了得到10Hz甚至更低的频率的信号，以及10KHZ甚至更高频率的信号，需补增3-10HZ及10KHZ-30KHZ的滤波网络。最后，电位器便能实现幅度连续可调节，但由于时间限制只做了二阶低通滤波器实验证明可滤100hz到几khz的波形较好。但因选的RC是滤100hz的波形，因此到几k的时候幅值很小所以可以用几个RC滤波器使电路性能更好。武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书7经讨论，为使输出波形更接近正弦波，由图可见要求。3.3.正负12V直流稳压电源的设计图3.3实际考虑到运放轨到轨用正负十二伏，但实测出来九伏电压更能满足实验要求。武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书84.电路仿真4.1方波三角波发生电路4.2三角波正弦波发生电路图4.1.1图4.1.2武汉理工大学《模拟电子技